一文看雷擊浪涌的防護解析

芯片之家 2021-06-28 12:15

需要最新微控制器編程規范與調試指南？ NFC 還能這樣用？瑞薩無線充電方案全解析

不關注我你都不知道自己錯過了什么！

1、電子設備雷擊浪涌抗擾度試驗標準

電子設備雷擊浪涌抗擾度試驗的國家標準為GB/T17626.5（等同于國際標準IEC61000-4-5 ）。

標準主要是模擬間接雷擊產生的各種情況：

（1）雷電擊中外部線路，有大量電流流入外部線路或接地電阻，因而產生的干擾電壓。

（2）間接雷擊（如云層間或云層內的雷擊）在外部線路上感應出電壓和電流。

（3）雷電擊中線路鄰近物體，在其周圍建立的強大電磁場，在外部線路上感應出電壓。

（4）雷電擊中鄰近地面，地電流通過公共接地系統時所引進的干擾。

標準除了模擬雷擊外，還模擬變電所等場合，因開關動作而引進的干擾（開關切換時引起電壓瞬變），如：

（1）主電源系統切換時產生的干擾（如電容器組的切換）。

（2）同一電網，在靠近設備附近的一些較小開關跳動時的干擾。

（3）切換伴有諧振線路的晶閘管設備。

（4）各種系統性的故障，如設備接地網絡或接地系統間的短路和飛弧故障。

標準描述了兩種不同的波形發生器：

一種是雷擊在電源線上感應生產的波形；

另一種是在通信線路上感應產生的波形。

這兩種線路都屬于空架線，但線路的阻抗各不相同：在電源線上感應產生的浪涌波形比較窄一些（50uS），前沿要陡一些（1.2uS）；而在通信線上感應產生的浪涌波形比較寬一些，但前沿要緩一些。后面我們主要以雷擊在電源線上感應生產的波形來對電路進行分析，同時也對通信線路的防雷技術進行簡單介紹。

2、模擬雷擊浪涌脈沖生成電路的工作原理

上圖是模擬雷電擊到配電設備時，在輸電線路中感應產生的浪涌電壓，或雷電落地后雷電流通過公共地電阻產生的反擊高壓，的脈沖產生電路。4kV時的單脈沖能量為100焦耳。

圖中Cs是儲能電容（大約為10uF，相當于雷云電容）；

Us為高壓電源；

Rc為充電電阻；

Rs為脈沖持續時間形成電阻（放電曲線形成電阻）；

Rm為阻抗匹配電阻Ls為電流上升形成電感。

雷擊浪涌抗擾度試驗對不同產品有不同的參數要求，上圖中的參數可根據產品標準要求不同，稍有改動。

基本參數要求：

（1）開路輸出電壓：0.5～6kV，分5等級輸出，最后一級由用戶與制造商協商確定；

（2）短路輸出電流：0.25～2kA，供不同等級試驗用;

（3）內阻：2 歐姆，附加電阻10、12、40、42歐姆，供其它不同等級試驗用；

（4）浪涌輸出極性：正/負；浪涌輸出與電源同步時，移相0～360度；

（5）重復頻率：至少每分鐘一次。

雷擊浪涌抗擾度試驗的嚴酷等級分為5級:

1級：較好保護的環境；

2級：有一定保護的環境；

3級：普通的電磁騷擾環境、對設備未規定特殊安裝要求，如工業性的工作場所；

4級：受嚴重騷擾的環境，如民用空架線、未加保護的高壓變電所。

X級：由用戶與制造商協商確定。

圖中18uF電容，可根據嚴酷等級不同，選擇數值也可不同，但大到一定值之后，基本上就沒有太大意義。

10歐姆電阻以及9uF電容，可根據嚴酷等級不同，選擇數值也不同，電阻最小值可選為0歐姆（美國標準就是這樣）， 9uF電容也可以選得很大，但大到一定值之后，基本上就沒有太大意義。

3、共模浪涌抑制電路

防浪涌設計時，假定共模與差模這兩部分是彼此獨立的。然而，這兩部分并非真正獨立，因為共模扼流圈可以提供相當大的差模電感。這部分差模電感可由分立的差模電感來模擬。
　　

為了利用差模電感，在設計過程中，共模與差模不應同時進行，而應該按照一定的順序來做。首先，應該測量共模噪聲并將其濾除掉。采用差模抑制網絡（Differential Mode Rejection Network），可以將差模成分消除，因此就可以直接測量共模噪聲了。如果設計的共模濾波器要同時使差模噪聲不超過允許范圍，那么就應測量共模與差模的混合噪聲。因為已知共模成分在噪聲容限以下，因此超標的僅是差模成分，可用共模濾波器的差模漏感來衰減。對于低功率電源系統，共模扼流圈的差模電感足以解決差模輻射問題，因為差模輻射的源阻抗較小，因此只有極少量的電感是有效的。

對4000Vp以下的浪涌電壓進行抑制，一般只需采用LC電路進行限流和平滑濾波，把脈沖信號盡量壓低到2~3倍脈沖信號平均值的水平即可。由于L1、L2有50周電網電流流過，電感很容易飽和，因此，L1、L2一般都采用一種漏感很大的共模電感。

用在交流，直流的都有，通常我們在電源EMI濾波器，開關電源中常見到，而直流側少見，在汽車電子中能夠看到用在直流側。

加入共模電感是為了消除并行線路上的共模干擾（有兩線的，也有多線的）。由于電路上兩線阻抗的不平衡，共模干擾最終體現在差模上。用差模濾波方法很難濾除。

共模電感到底需要用在哪。共模干擾通常是電磁輻射，空間耦合過來的，那么無論是交流還是直流，你有長線傳輸，就涉及到共模濾波就得加共模電感。例如：USB線好多就在線上加磁環。開關電源入口，交流電是遠距離傳輸過來的，就需要加。通常直流側不需要遠傳就不需要加了。沒有共模干擾，加了就是浪費，對電路沒有增益。

電源濾波器的設計通?？蓮墓材：筒钅煞矫鎭砜紤]。共模濾波器最重要的部分就是共模扼流圈，與差模扼流圈相比，共模扼流圈的一個顯著優點在于它的電感值極高，而且體積又小，設計共模扼流圈時要考慮的一個重要問題是它的漏感，也就是差模電感。通常，計算漏感的辦法是假定它為共模電感的1%，實際上漏感為共模電感的0.5% ～4%之間。在設計最優性能的扼流圈時，這個誤差的影響可能是不容忽視的。

漏感的重要性
漏感是如何形成的呢？緊密繞制，且繞滿一周的環形線圈，即使沒有磁芯，其所有磁通都集中在線圈“芯”內。但是，如果環形線圈沒有繞滿一周，或者繞制不緊密，那么磁通就會從芯中泄漏出來。這種效應與線匝間的相對距離和螺旋管芯體的磁導率成正比。共模扼流圈有兩個繞組，這兩個繞組被設計成使它們所流過的電流沿線圈芯傳導時方向相反，從而使磁場為0。如果為了安全起見，芯體上的線圈不是雙線繞制，這樣兩個繞組之間就有相當大的間隙，自然就引起磁通“泄漏”，這即是說，磁場在所關心的各個點上并非真正為0。共模扼流圈的漏感是差模電感。事實上，與差模有關的磁通必須在某點上離開芯體，換句話說，磁通在芯體外部形成閉合回路，而不僅僅只局限在環形芯體內。

一般CX電容可承受4000Vp的差模浪涌電壓沖擊，CY電容可承受5000Vp的共模電壓沖擊。正確選擇L1、L2和CX2、CY參數的大小，就可以抑制4000Vp以下的共模和差模浪涌電壓。但如果兩個CY電容是安裝在整機線路之中，其總容量不能超過5000P，如要抑制浪涌電壓超過4000Vp，還需選用耐壓更高的電容器，以及帶限幅功能的浪涌抑制電路。

所謂抑制，只不過是把尖峰脈沖的幅度降低了一些，然后把其轉換成另一個脈沖寬度相對比較寬，幅度較為平坦的波形輸出，但其能量基本沒有改變。

兩個CY電容的容量一般都很小，存儲的能量有限，其對共模抑制的作用并不很大，因此，對共模浪涌抑制主要靠電感L1和L2，但由于L1、L2的電感量也受到體積和成本的限制，一般也難以做得很大，所以上面電路對雷電共模浪涌電壓抑制作用很有限。

圖（a）中L1與CY1、 L2與CY2，分別對兩路共模浪涌電壓進行抑制，計算時只需計算其中一路即可。?對L1進行精確計算，須要求解一組2階微分方程，結果表明：電容充電是按正弦曲線進行，放電是按余弦曲線進行。但此計算方法比較復雜，這里采用比較簡單的方法。

假說，共模信號是一個幅度為Up、寬度為τ的方波，以及CY電容兩端的電壓為Uc，測流過電感的電流為一寬度等于2τ的鋸齒波：

流過電感的電流為：

流過電感的最大電流為：

在2τ期間流過電感的平均電流為：

由此可以求得CY電容在2τ期間的電壓變化量為：

上面公式是計算共模浪涌抑制電路中電感L和電容CY參數的計算公式，式中，Uc為CY電容兩端的電壓，也是浪涌抑制電路的輸出電壓，?Uc為CY電容兩端的電壓變化量，但由于雷電脈沖的周期很長，占空比很小，可以認為Uc = ?Uc，Up為共模浪涌脈沖的峰值，q為CY電容存儲的電荷，τ為共模浪涌脈沖的寬度，L為電感，C為電容。

根據上面公式，假設浪涌峰值電壓Up=4000Vp，電容C=2500p，浪涌抑制電路的輸出電壓Uc=2000Vp，則需要電感L的數值為1H。顯然這個數值非常大，在實際中很難實現，所以上面電路對雷電共模抑制的能力很有限，此電路還需進一步改進。

差模浪涌電壓抑制，主要是靠圖中的濾波電感L1、L2 ，和濾波電容CX ，L1、L2濾波電感和CX濾波電容等參數的選擇，同樣可以用下面公式來進行計算。

但上式中的L應該等于L1和L2兩個濾波電感之和，C=CX，Uc等于差模抑制輸出電壓。一般，差模抑制輸出電壓應不大于600Vp，因為很多半導體器件和電容的最大耐壓都在此電壓附近，并且，經過L1和L2兩個濾波電感以及CX電容濾波之后，雷電差模浪涌電壓的幅度雖然降低了，但能量基本上沒有降低，因為經過濾波之后，脈沖寬度會增加，一旦器件被擊穿，大部分都無法恢復到原來的狀態。

根據上面公式，假設浪涌峰值電壓Up=4000Vp，脈沖寬度為50uS，差模浪涌抑制電路的輸出電壓Uc=600Vp，則需要LC的數值為14mH×uF。顯然，這個數值對于一般電子產品的浪涌抑制電路來說還是比較大的，相比之下，增加電感量要比增加電容量更有利，因此最好選用一種有3個窗口、用矽鋼片作鐵芯，電感量相對較大（大于20mH）的電感作為浪涌電感，這種電感共模和差模電感量都很大，并且不容易飽和。順便指出，整流電路后面的電解濾波電容，同樣也具有抑制浪涌脈沖的功能，如果把此功能也算上，其輸出電壓Uc就不能選600Vp，而只能選為電容器的最高耐壓Ur（400Vp）。

4、雷擊浪涌脈沖電壓抑制常用器件

避雷器件主要有陶瓷氣體放電管、氧化鋅壓敏電阻、半導體閘流管（TVS）、浪涌抑制電感線圈、X類浪涌抑制電容等，各種器件要組合使用。

氣體放電管的種類很多，放電電流一般都很大，可達數十kA，放電電壓比較高，放電管從點火到放電需要一定的時間，并且存在殘存電壓，性能不太穩定；氧化鋅壓敏電阻伏安特性比較好，但受功率的限制，電流相對比放電管小，多次被雷電過流擊穿后，擊穿電壓值會下降，甚至會失效；半導體TVS管伏安特性最好，但功率一般都很小，成本比較高；浪涌抑制線圈是最基本的防雷器件，為防流過電網交流電飽和，必須選用三窗口鐵芯；X電容也是必須的，要選用容許紋波電流較大的電容。

氣體放電管

氣體放電管指作過電壓保護用的避雷管或天線開關管一類，管內有二個或多個電極，充有一定量的惰性氣體。氣體放電管是一種間隙式的防雷保護元件，它用在通信系統的防雷保護。

放電管的工作原理是氣體間隙放電i當放電管兩極之間施加一定電壓時，便在極間產生不均勻電場：在此電場作用下，管內氣體開始游離，當外加電壓增大到使極間場強超過氣體的絕緣強度時，兩極之間的間隙將放電擊穿，由原來的絕緣狀態轉化為導電狀態，導通后放電管兩極之間的電壓維持在放電弧道所決定的殘壓水平，這種殘壓一般很低，從而使得與放電管并聯的電子設備免受過電壓的損壞。

氣體放電管有的是以玻璃作為管子的封裝外殼．也有的用陶瓷作為封裝外殼，放電管內充入電氣性能穩定的惰性氣體（如氬氣和氖氣等），常用放電管的放電電極一般為兩個、三個，電極之間由惰性氣體隔開。按電極個數的設置來劃分，放電管可分為二極、三極放電管。

陶瓷二極放電管由純鐵電極、鎳鉻鈷合金帽、銀銅焊帽和陶瓷管體等主要部件構成。管內放電電極上涂覆有放射性氧化物，管體內壁也涂覆有放射性元素，用于改善放電特性。放電電極主要有桿形和杯形兩種結構，在桿形電極的放電管中，電極與管體壁之間還要加裝一個圓筒熱屏，該熱屏可以使陶瓷管體受熱趨于均勻，不致出現局部過熱而引起管斷裂。熱屏內也涂覆放射性氧化物，以進一步減小放電分散性。在杯形電極的放電管中，杯口處裝有鉬網，杯內裝有銫元素，其作用也是減小放電分散性。

三極放電管也是由純鐵電極、鎳鉻鈷合金帽、銀銅焊帽和陶瓷管體等部件構成。與二極放電管不同，在三極放電管中增加了鎳鉻鈷合金圓筒，作為第三極，即接地電極。

主要參數：

（1）直流擊穿電壓。此值由施加一個低上升速率（dv/dt=100V/s）的電壓值來決定。

（2）沖擊（或浪涌）擊穿電壓。它代表放電管的動態特性，常用上升速率為dv/dt=1kV/us的電壓值來決定。

（3）標稱沖擊放電電流。8/20us波形（前沿8us，半峰持續時間20us）的額定放電電流，通常放電10次。

（4）標準放電電流。通過50Hz交流電流的額定有效值，規定每次放電的時間為1s，放電10次。

（5）最大單次沖擊放電電流。對8/20us電流波的單次最大放電電流。

（6）耐工頻電流值。對8/20us電流波的單次最大放電電流。對50Hz交流電，能經受連續9個周波的最大電流的有效值。

（7）絕緣電阻。對8/20us電流波的單次最大放電電流。對50Hz交流電，能經受連續9個周波的最大電流的有效值。

（8）電容。放電管電極間的電容，一般在2～10pF之間，是所有瞬變干擾吸收器件中最小的。

金屬氧化物壓敏電阻

壓敏電阻一般都是以氧化鋅為主要成分，另加少量的其它金屬氧化物（顆粒），如：鈷、猛、鉍等壓制而成。由于兩種不同性質的物體組合在一起，相當于一個PN結（二極管），因此，壓敏電阻相當于眾多的PN結串、并聯組成。

5、超高浪涌電壓抑制電路

實例1

上圖是一個可抗擊較強雷電浪涌脈沖電壓的電原理圖，圖中：G1、G2為氣體放電管，主要用于對高壓共模浪涌脈沖抑制，對高壓差模浪涌脈沖也同樣具有抑制能力；VR為壓敏電阻，主要用于對高壓差模浪涌脈沖抑制。經過G1、G2和VR抑制后，共模和差模浪涌脈沖的幅度和能量均大幅度降低。

G1、G2的擊穿電壓可選1000Vp~3000Vp，VR的壓敏電壓一般取工頻電壓最大值的1.7倍。

G1、G2擊穿后會產生后續電流，一定要加保險絲以防后續電流過大使線路短路。

實例2

增加了兩個壓敏電阻VR1、VR2和一個放電管G3，主要目的是加強對共模浪涌電壓的抑制，由于壓敏電阻有漏電流，而一般電子產品都對漏電流要求很嚴格（小于0.7mAp），所以圖中加了一個放電管G3，使平時電路對地的漏電流等于0。G3的擊穿電壓要遠小于G1、G2的擊穿電壓，采用G3對漏電隔離后，壓敏電阻VR1或VR2的擊穿電壓可相應選得比較低，VR1、VR2對差模浪涌電壓也有很強的抑制作用。

實例3